В физике соотношение энергии -импульса , или релятивистское дисперсионное соотношение , представляет собой релятивистское уравнение , связывающее полную энергию (которую также называют релятивистской энергией ) с инвариантной массой (которая также называется массой покоя) и импульсом . Это расширение эквивалентности массы и энергии для тел или систем с ненулевым импульсом. Его можно записать в виде следующего уравнения:
Это уравнение справедливо для тела или системы , например одной или нескольких частиц , с полной энергией E , инвариантной массой m 0 и импульсом величины p ; константа c — скорость света . Он предполагает случай специальной теории относительности плоского пространства-времени [1] [2] [3] и что частицы свободны. Полная энергия представляет собой сумму энергии покоя и кинетической энергии , а инвариантная масса — это масса, измеренная в системе отсчёта центра импульса .
Для тел или систем с нулевым импульсом это упрощается до уравнения массы-энергии , где полная энергия в этом случае равна энергии покоя (также записываемой как E 0 ).
Модель моря Дирака , которая использовалась для предсказания существования антиматерии , тесно связана с соотношением энергии и импульса.
Соотношение энергия-импульс согласуется со знакомым соотношением масса-энергия в обеих его интерпретациях: E = mc 2 связывает полную энергию E с (общей) релятивистской массой m (альтернативно обозначаемой m rel или m tot ), тогда как E 0 = m 0 c 2 связывает энергию покоя E 0 с (инвариантной) массой покоя m 0 .
В отличие от любого из этих уравнений, уравнение энергии-импульса ( 1 ) связывает полную энергию с массой покоя m 0 . Все три уравнения справедливы одновременно.
Для общей теории относительности справедлива более общая форма соотношения ( 1 ) .
Инвариантная масса (или масса покоя) является инвариантом для всех систем отсчета (отсюда и название), не только в инерциальных системах отсчета в плоском пространстве-времени, но и в ускоренных системах отсчета, перемещающихся в искривленном пространстве-времени (см. ниже). Однако полная энергия частицы E и ее релятивистский импульс p зависят от системы отсчета; относительное движение между двумя кадрами заставляет наблюдателей в этих кадрах измерять разные значения энергии и импульса частицы; один кадр измеряет E и p , а другой кадр измеряет E ′ и p ′ , где E ′ ≠ E и p ′ ≠ p , если только между наблюдателями нет относительного движения, и в этом случае каждый наблюдатель измеряет одну и ту же энергию и импульсы. Хотя в плоском пространстве-времени у нас все еще есть:
Величины E , p , E ' , p ' связаны преобразованием Лоренца . Соотношение позволяет обойти преобразования Лоренца при определении только величин энергии и импульса путем приравнивания соотношений в разных системах отсчета. Опять же, в плоском пространстве-времени это означает;
Поскольку m 0 не меняется от кадра к кадру, соотношение энергия-импульс используется в расчетах релятивистской механики и физики элементарных частиц , поскольку энергия и импульс задаются в системе отсчета покоя частицы (то есть E ′ и p ′ как наблюдатель, движущийся с частицей) и измеряется в лабораторных условиях (т.е. E и p определяются физиками элементарных частиц в лаборатории, а не движутся вместе с частицами).
В релятивистской квантовой механике оно является основой построения релятивистских волновых уравнений , поскольку если релятивистское волновое уравнение, описывающее частицу, согласуется с этим уравнением – оно согласуется с релятивистской механикой и является лоренц-инвариантным . В релятивистской квантовой теории поля она применима ко всем частицам и полям. [4]
Соотношение энергия-импульс восходит к статье Макса Планка [5] , опубликованной в 1906 году. Оно использовалось Уолтером Гордоном в 1926 году, а затем Полем Дираком в 1928 году в форме , где V – количество потенциальной энергии. [6] [7]
Уравнение можно получить разными способами, два из самых простых:
Для массивного объекта, движущегося с трехскоростью u = ( u x , u y , u z ) с магнитудой | ты | = u в лабораторной системе : [1]
- полная энергия движущегося объекта в лабораторной системе координат,
— трехмерный релятивистский импульс объекта в лабораторной системе координат с магнитудой | р | = п . Релятивистская энергия E и импульс p включают фактор Лоренца , определяемый следующим образом:
Некоторые авторы используют релятивистскую массу , определяемую как:
хотя масса покоя m 0 имеет более фундаментальное значение и в этой статье будет использоваться в первую очередь вместо релятивистской массы m .
Возведение в квадрат 3-импульса дает:
затем, решив для u 2 и подставив в фактор Лоренца, получим его альтернативную форму в терминах 3-импульса и массы, а не 3-скорости:
Включение этой формы фактора Лоренца в уравнение энергии дает:
с последующей перестановкой получается ( 1 ). Устранение фактора Лоренца также устраняет неявную зависимость частицы от скорости в ( 1 ), а также любые выводы о «релятивистской массе» массивной частицы. Этот подход не является универсальным, поскольку безмассовые частицы не рассматриваются. Наивная установка m 0 = 0 будет означать, что E = 0 и p = 0 , и никакое соотношение энергии и импульса не может быть получено, что неверно.
В пространстве Минковского энергия (деленная на c ) и импульс являются двумя компонентами четырехвектора Минковского , а именно четырехимпульса ; [8]
(это контравариантные компоненты).
Скалярное произведение Минковского ⟨ , ⟩ этого вектора на самого себя дает квадрат нормы этого вектора, оно пропорционально квадрату массы покоя m тела:
Лоренц- инвариантная величина и, следовательно, независимая от системы отсчета . Используя метрику Минковского η с метрической сигнатурой (− + + +) , внутренний продукт равен
и
так
или, в натуральных единицах, где c = 1,
В общей теории относительности 4-импульс представляет собой четырехвектор, определенный в локальной системе координат, хотя по определению внутренний продукт аналогичен продукту специальной теории относительности:
в котором метрика Минковского η заменена метрическим тензорным полем g :
решено из уравнений поля Эйнштейна . Тогда: [9]
Выполнение суммирования по индексам с последующим сбором терминов «времяподобного», «пространственно-временного» и «пространственноподобного» дает:
где коэффициент 2 возникает потому, что метрика представляет собой симметричный тензор и используется соглашение о латинских индексах i , j , принимающих пространственные значения 1, 2, 3. Поскольку каждый компонент метрики в целом зависит от пространства и времени; это значительно сложнее, чем формула, приведенная в начале; дополнительную информацию см. в метрическом тензоре (общая теория относительности) .
В натуральных единицах , где c = 1 , уравнение энергии-импульса сводится к
В физике элементарных частиц энергия обычно выражается в единицах электрон-вольт (эВ), импульс в единицах эВ· с -1 и масса в единицах эВ· с -2 . В электромагнетизме и из-за релятивистской инвариантности полезно иметь электрическое поле E и магнитное поле B в одной и той же единице ( Гаусс ), используя систему единиц СГС (гауссова) , где энергия дается в единицах эрг , масса в граммах (г) и импульс в г·см·с -1 .
Энергия также теоретически может быть выражена в граммах, хотя на практике требуется большое количество энергии, чтобы быть эквивалентным массам в этом диапазоне. Например, первая атомная бомба выделила около 1 грамма тепла , а самые крупные термоядерные бомбы выделили килограмм и более тепла. Энергию термоядерных бомб обычно измеряют в десятках килотонн и мегатонн, имея в виду энергию, выделяющуюся при взрыве такого количества тринитротолуола (тротила).
Для тела в системе покоя импульс равен нулю, поэтому уравнение упрощается до
где m 0 – масса покоя тела.
Если объект безмассовый, как в случае фотона , то уравнение сводится к
Это полезное упрощение. Его можно переписать и другими способами, используя соотношения де Бройля :
если заданы длина волны λ или волновое число k .
Переписав соотношение для массивных частиц как:
и разложение в степенной ряд по биномиальной теореме (или ряду Тейлора ):
в пределе, когда u ≪ c , мы имеем γ ( u ) ≈ 1 , поэтому импульс имеет классическую форму p ≈ m 0 u , затем в первом порядке по (п/м 0 с)2
(т.е. сохранить термин (п/м 0 с)2 н
для n = 1 и пренебрегая всеми членами для n ≥ 2 ), имеем
или
где второй член — классическая кинетическая энергия , а первый — энергия покоя частицы. Это приближение неприменимо для безмассовых частиц, поскольку для расширения требовалось деление импульса на массу. Между прочим, в классической механике нет безмассовых частиц.
В случае многих частиц с релятивистскими импульсами p n и энергией En , где n = 1, 2, ... (вплоть до общего числа частиц), просто маркирует частицы, измеренные в конкретной системе отсчета, четырех- импульсы в этой системе координат можно добавить;
а потом принять норму; чтобы получить соотношение для системы многих частиц:
где M 0 — инвариантная масса всей системы и не равна сумме масс покоя частиц, если только все частицы не покоятся ( более подробно см. Массу в специальной теории относительности ). Замена и перестановка дают обобщение ( 1 );
Все энергии и импульсы в уравнении зависят от системы отсчета, а M 0 не зависит от системы отсчета.
В кадре центра импульса (кадре COM) по определению мы имеем:
с учетом ( 2 ), что инвариантная масса также является массой-энергией центра импульса (COM), помимо фактора c 2 :
и это верно для всех кадров, поскольку M 0 не зависит от кадра. Энергии E COM n — это энергии в системе COM, а не в лабораторной системе координат. Однако во многих знакомых связанных системах лабораторный кадр используется как COM-кадр, поскольку сама система не находится в движении, и поэтому все импульсы сводятся к нулю. Примером может служить простой объект (где колебательные моменты атомов компенсируются) или контейнер с газом, в котором контейнер покоится. В таких системах все энергии системы измеряются как масса. Например, тепло в объекте на шкале или сумма кинетических энергий в контейнере с газом на шкале — все они измеряются по шкале как масса системы.
Либо энергии, либо импульсы частиц, измеренные в некоторой системе отсчета, можно исключить, используя соотношение энергии-импульса для каждой частицы:
позволяя выразить M 0 через энергии и массы покоя или импульсы и массы покоя. В конкретном кадре квадраты сумм можно переписать как суммы квадратов (и произведений):
поэтому, подставив суммы, можно ввести их массы покоя m n в ( 2 ):
Энергии можно устранить следующими способами:
аналогично импульс можно устранить следующим образом:
где θnk — угол между векторами импульса pn и pk .
Перестановка:
Поскольку инвариантная масса системы и массы покоя каждой частицы не зависят от системы отсчета, правая часть также является инвариантом (хотя все энергии и импульсы измеряются в определенной системе отсчета).
Используя соотношения де Бройля для энергии и импульса для волн материи ,
где ω — угловая частота , а k — волновой вектор величины | к | = k , равный волновому числу , связь энергия-импульс может быть выражена через волновые величины:
и привести в порядок путем деления на ( ħc ) 2 :
Это также можно получить из величины четырехволнового вектора
аналогично четырехимпульсу, описанному выше.
Поскольку приведенная константа Планка ħ и скорость света c появляются и засоряют это уравнение, именно здесь естественные единицы особенно полезны. Нормализовав их так, что ħ = c = 1 , получим:
Скорость брадиона с релятивистской зависимостью энергия-импульс
никогда не может превышать c . Напротив, для тахиона , уравнение энергии-импульса которого имеет вид [10]
Напротив, гипотетическая экзотическая материя имеет отрицательную массу [11] и уравнение энергии-импульса имеет вид